(57)【要約】【課題】  燃料ガス流路から不活性ガス流路への燃料ガスの逆流を抑制する。【解決手段】  本発明の燃料電池評価装置（１０）は燃料電池（２０）のアノード極（３１）に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（４１）と、燃料ガス流路（４１）に設けられた不活性ガス供給部（９１）と、不活性ガス供給部（９１）に不活性ガスを供給するための不活性ガス流路（６０ａ）と、不活性ガス流路（６０ａ）を流れる不活性ガス流量を調整する制御弁（７１）を備える。不活性ガス供給部（９１）を燃料ガス流路（４１）の下面に形成することで、比重の軽い燃料ガスが鉛直下方に沈降しにくくなるため、燃料ガス流路（４１）から不活性ガス流路（６０ａ）への逆流を抑制できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路に設けられた不活性ガス供給部と、
前記不活性ガス供給部に不活性ガスを供給するための不活性ガス流路と、
前記不活性ガス流路を流れる不活性ガス流量を調整する制御弁と、を備え、
前記不活性ガス供給部は前記燃料ガス流路の下面に設けられている、燃料電池装置。
【請求項２】
燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路に設けられた不活性ガス供給部と、
前記不活性ガス供給部に不活性ガスを供給するための不活性ガス流路と、
前記不活性ガス流路を流れる不活性ガス流量を調整する制御弁と、を備え、
前記制御弁と前記不活性ガス供給部の間に配設された不活性ガス流路は制御弁側よりも不活性ガス供給部側の方が上方に位置している流路部分を有している、燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池装置であって、前記制御弁は動力弁である、燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料ガス流路に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給部を備えた燃料電池装置に関し、特に、燃料ガス流路から不活性ガス流路への燃料ガスの逆流を抑制するための改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池システムにおいては、運転停止時にアノードガス流路に不活性ガスを供給することにより、パージ操作を行い、残留水素ガスを排気してシステムの安全性を確保している。特開平９−１９９１４９号公報には、窒素供給配管系から燃料ガス供給配管系に不活性ガスを供給する構成が開示されており、窒素供給配管系に配設された制御弁によって、燃料ガス供給配管系に供給される不活性ガス流量を調整している。
【特許文献１】特開平９−１９９１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、水素リッチな燃料ガスは不活性ガスよりも比重が軽いため、燃料ガス流路を流れる水素ガスが不活性ガス流路に流れ込む虞がある。水素リッチガスが不活性ガス流路を逆流すると、不活性ガス流路に配設された金属性の制御弁が腐食性の水素ガスに長時間曝されることとなり、制御弁が腐食する虞がある。
【０００４】
そこで、本発明は上述の問題を解決し、燃料ガス流路から不活性ガス流路への燃料ガスの逆流を抑制するための燃料電池装置を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池装置は、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と、燃料ガス流路に設けられた不活性ガス供給部と、不活性ガス供給部に不活性ガスを供給するための不活性ガス流路と、不活性ガス流路を流れる不活性ガス流量を調整する制御弁を備えており、不活性ガス供給部は燃料ガス流路の下面に設けられている。不活性ガス供給部を燃料ガス流路の下面に形成することで、燃料ガス流路から不活性ガス流路への燃料ガスの逆流（沈降）を抑制できる。また、制御弁が燃料ガスに長時間曝されることによる制御弁の腐食作用を抑制し、制御弁の耐久性を向上できる。
【０００６】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路と、燃料ガス流路に設けられた不活性ガス供給部と、不活性ガス供給部に不活性ガスを供給するための不活性ガス流路と、不活性ガス流路を流れる不活性ガス流量を調整する制御弁を備えており、制御弁と不活性ガス供給部の間に配設された不活性ガス流路は制御弁側よりも不活性ガス供給部側の方が上方に位置している流路部分を有している。制御弁と不活性ガス供給部の間に配設された不活性ガス流路の流路部分に、制御弁側よりも不活性ガス供給部側の方が上方に位置している箇所を形成することで、燃料ガス流路から不活性ガス流路への燃料ガスの逆流を抑制できる。また、制御弁が燃料ガスに長時間曝されることによる制御弁の腐食作用を抑制し、制御弁の耐久性を向上できる。
【０００７】
本発明の燃料電池装置において、不活性ガス供給部から燃料ガス流路へ供給される不活性ガスの供給量を調整する制御弁は動力弁であることが望ましい。動力弁によれば、受動弁よりも閉弁力を強力に構成できるため、異物の噛みこみ等による燃料ガスのガス漏れを抑制できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料ガス流路から不活性ガス流路への燃料ガスの逆流を抑制することで、制御弁が燃料ガスに長時間曝されることによる制御弁の腐食を抑制し、制御弁の耐久性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。  
図１は本実施形態の燃料電池評価装置１０の主要構成を示している。燃料電池評価装置１０は反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池（セルスタック）２０を備えている。燃料電池２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜３３の両面にアノード極３１とカソード極３２をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）３０を備えている。膜・電極接合体３０の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、リブ付セパレータとアノード極３１、カソード極３２との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２１、カソードガスチャンネル２２を形成している。ここでは説明の便宜上、アノードガスチャンネル２１、カソードガスチャンネル２２、及び膜・電極接合体３０から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際にはリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
【００１０】
燃料電池２０には、アノードガスチャンネル２１に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２１からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス流路４２と、カソードガスチャンネル２２に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路５１と、カソードガスチャンネル２２からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路５２が配設されている。燃料ガスと酸化ガスのそれぞれの供給量は流量調整弁８１，８３によって調整され、アノードガスチャンネル２１とカソードガスチャンネル２２のそれぞれの差圧は流量調整弁８２，８４によって調整される。
【００１１】
アノードガスチャンネル２１に供給された燃料ガスは（１）式に示す酸化反応を生起させる一方で、カソードガスチャンネル２２に供給された酸化ガスは（２）式に示す還元反応を生起させる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。燃料電池２０の種類としては、高分子電解質型燃料電池、アルカリ性電解質型燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池などを利用できる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-  …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ  …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ  …（３）
燃料ガス流路４１にはアノードガスチャンネル２１に不活性ガス（例えば、窒素ガス）を供給するための不活性ガス供給部９１が設けられている。不活性ガス供給部９１から燃料ガス流路４１に供給された不活性ガスはアノードガスチャンネル２１とアノードオフガス流路４２に残留する残留水素をパージする。同様にして、酸化ガス流路５１にはカソードガスチャンネル２２に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給部９２が設けられている。これらの不活性ガス供給部９１，９２は不活性ガス流路６０から不活性ガスの供給を受ける。不活性ガス流路６０の下流は二股に分岐しており、分岐先の一方の不活性ガス流路６０ａは制御弁７１を介して不活性ガス供給部９１に連通し、他方の不活性ガス流路６０ｂは制御弁７２を介して不活性ガス流路９２に連通している。不活性ガス供給部９１，９２に供給される不活性ガスの流量は制御弁７１，７２によって制御される。
【００１２】
図２は上述した不活性ガス供給部９１を中心とする配管部分の拡大図である。同図に示すように、不活性ガス供給部９１は不活性ガス流路６０ａと燃料ガス流路４１の合流部である。不活性ガス供給部９１は燃料ガス流路４１の下面（底面）に形成されており、略鉛直方向に垂設された不活性ガス流路６０ａが不活性ガス供給部９１において燃料ガス流路４１と連通している。不活性ガス供給部９１と制御弁７１との間の鉛直方向の高低差はＬ１である。このように不活性ガス供給部９１を燃料ガス流路４１の下面に形成し、不活性ガス流路６０ａを鉛直方向に垂設することで、比重の軽い燃料ガスが不活性ガス流路６０ａを鉛直下方に向って降下し難くしている。高低差Ｌ１としては、不活性ガス流路６０ａの内径、燃料ガスのガス圧等を考慮して燃料ガスが沈降し難い距離に設計することが望ましい。これにより、制御弁７１が燃料ガスに長時間曝されることによる制御弁７１の腐食を抑制し、制御弁７１の耐久性を向上できる。
【００１３】
尚、制御弁７１としては、機械的な圧力で弁を開閉できる動力弁が望ましく、例えば、電磁弁などが好適である。動力弁の中でも特に、閉弁力の強い動力弁が望ましい。制御弁７１を動力弁とすることによって、逆止弁などの受動弁よりも閉弁状態における気密性を高くできるため、弁体と弁座の間にフィルタの糸屑や粉塵などの異物が混入しても、不活性ガス流路６０側への燃料ガスの逆流を抑制できる。
【００１４】
また、不活性ガス流路６０ａと燃料ガス流路４１の接続形態は上述した構成に限られるものではなく、各種の接続形態が考えられる。例えば、図３に示すように、不活性ガス供給部９１を燃料ガス流路４１の下面に形成した場合において、不活性ガス流路６０ａを鉛直方向に対して所定の傾斜角をもたせて燃料ガス流路４１に連通させてもよい。不活性ガス供給部９１と制御弁７１との間の鉛直方向の高低差はＬ２である。高低差Ｌ２としては不活性ガス流路６０ａの内径、燃料ガスのガス圧等を考慮して燃料ガスが沈降し難い距離に設計することが望ましい。
【００１５】
もとより、不活性ガス供給部９１は必ずしも燃料ガス流路４１の下面に形成されている必要はなく、例えば、燃料ガス流路４１の側面又は上面（天井面）に形成してもよい。不活性ガス供給部９１を燃料ガス流路４１の側面又は上面に形成する場合には、図４に示すように、制御弁７１と不活性ガス供給部９１の間に配設された不活性ガス流路６０ａが制御弁７１側よりも不活性ガス供給部９１側の方が鉛直上方に位置している流路部分Ｐ１を有するように構成する。流路部分Ｐ１は軸線が略鉛直方向に向くように垂設されており、流路部分Ｐ１の制御弁７１側と不活性ガス供給部９１側の鉛直方向の高低差がＬ３となるように構成されている。不活性ガス流路６０ａの流路部分Ｐ１に高低差Ｌ３を形成することによって、燃料ガス流路４１から不活性ガス流路６０への燃料ガスの逆流を抑制し、制御弁７１の耐久性を向上できる。高低差Ｌ３としては、不活性ガス流路６０ａの内径、燃料ガスのガス圧等を考慮して燃料ガスが沈降し難い距離に設計することが望ましい。
【００１６】
図５は不活性ガス供給部９１を燃料ガス流路４１の側面又は上面に形成する場合の他の構成例を示している。同図に示す構成では、燃料ガス流路４１は軸線を略鉛直方向に向けて垂設されており、鉛直下方から鉛直上方へ燃料ガスが流れる構成となっている。制御弁７１と不活性ガス供給部９１の間に配設された不活性ガス流路６０ａは制御弁７１側よりも不活性ガス供給部９１側の方が上方に位置している流路部分Ｐ２を有している。流路部分Ｐ２の制御弁７１側と不活性ガス供給部９１側の鉛直方向の高低差はＬ４である。高低差Ｌ４としては、不活性ガス流路６０ａの内径、燃料ガスのガス圧等を考慮して燃料ガスが沈降し難い距離に設計することが望ましい。
【００１７】
尚、不活性ガス供給部９１を燃料ガス流路４１の下面に形成した場合でも、図４又は図５に示すように、制御弁７１と不活性ガス供給部９１の間に配設された不活性ガス流路６０ａに、制御弁７１側よりも不活性ガス供給部９１側の方が上方に位置している流路部分を形成する構成としてもよい。
【００１８】
以上、説明したように、本実施形態によれば、不活性ガス供給部９１を燃料ガス流路４１の下面に形成することで、比重の軽い燃料ガスが不活性ガス流路６０ａを鉛直下方に向って降下し難くなり、制御弁７１が燃料ガスに長時間曝されることによる制御弁７１の腐食を抑制できる。また、制御弁７１と不活性ガス供給部９１の間に配設された不活性ガス流路６０ａが制御弁７１側よりも不活性ガス供給部９１側が鉛直上方に位置している流路部分Ｐ１又はＰ２を有するように構成しているため、燃料ガス流路４１から不活性ガス流路６０への燃料ガスの逆流を抑制できる。
【００１９】
尚、上述の説明では、不活性ガスとして窒素ガスを例示したが、これに限らず、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素のうち何れか一種又はこれら二種以上の混合ガスを用いてもよい。また、本実施形態では燃料電池評価装置１０を例示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、車両のオンボード発電機として機能する燃料電池発電システムや、家庭用或いはプラント用の燃料電池発電システムにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の燃料電池評価装置の主要構成図である。
【図２】不活性ガス供給部を中心とする配管部分の拡大図である。
【図３】不活性ガス供給部を中心とする配管部分の拡大図である。
【図４】不活性ガス供給部を中心とする配管部分の拡大図である。
【図５】不活性ガス供給部を中心とする配管部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０…燃料電池評価装置  ２０…燃料電池  ３０…膜・電極接合体  ３１…アノード極  ３２…カソード極  ３３…高分子電解質膜  ４１…燃料ガス流路  ４２…アノードオフガス流路  ５１…酸化ガス流路  ５２…カソードオフガス流路  ６０，６０ａ，６０ｂ…不活性ガス供給路  ７１，７２…制御弁  ９１，９２…不活性ガス供給部
【図１】
2005129410.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005129410.tif 000006
【図５】
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